醫(yī)用超聲遠(yuǎn)程激勵(lì)納米材料：調(diào)控神經(jīng)可塑性和恢復(fù)中腦退行神經(jīng)元功能
多巴胺能神經(jīng)元位于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的中腦區(qū)域，由此發(fā)出的多條神經(jīng)纖維通路參與認(rèn)知識(shí)別、運(yùn)動(dòng)控制、興奮成癮等生理活動(dòng)，是引起動(dòng)物一切行為反應(yīng)的基礎(chǔ)。中腦黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元變性死亡的后果之一是導(dǎo)致帕金森癥，這是一種中老年人常見的神經(jīng)系統(tǒng)疾??；現(xiàn)有治療解決方案包括藥物治療、基因治療和細(xì)胞移植、細(xì)胞重編程等方案。開發(fā)非侵入式、簡單并且有效的策略恢復(fù)內(nèi)源性多巴胺神經(jīng)元的功能仍然存在著巨大的挑戰(zhàn)。
電磁場是生命系統(tǒng)不可或缺的一部分，它影響細(xì)胞內(nèi)通訊、神經(jīng)元活動(dòng)、離子轉(zhuǎn)運(yùn)，從而影響細(xì)胞遷移、增殖和分化，甚至能夠?qū)?xì)胞進(jìn)行重新編程。近年來，納米和生物界面相互作用成為大家關(guān)注的熱點(diǎn)。壓電材料因?yàn)閮?nèi)部原子的特殊排列，使得其在應(yīng)力場下帶電荷的質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移而具有機(jī)電耦合效應(yīng)。它可以很容易地響應(yīng)外部刺激并將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，是一種開展遠(yuǎn)程、非侵入性和精準(zhǔn)調(diào)控神經(jīng)的非常有前途的工具。由于獨(dú)特的能量轉(zhuǎn)換性能，壓電納米材料在生物醫(yī)學(xué)中具有廣闊應(yīng)用前景，例如作為納米藥物中的多級(jí)載體、體內(nèi)成像探針和誘導(dǎo)細(xì)胞生長/分化的納米級(jí)換能器。具有較高壓電系數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)的納米材料在電磁場產(chǎn)生中的效率很高。
南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院沈群東教授研究團(tuán)隊(duì)提出使用醫(yī)用超聲波遠(yuǎn)程激勵(lì)壓電納米材料產(chǎn)生可調(diào)控的電磁場，在納米-生物界面實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程電刺激，用于調(diào)節(jié)神經(jīng)可塑性，恢復(fù)帕金森動(dòng)物模型中腦區(qū)域退行的多巴胺能神經(jīng)元的功能。研究者通過水熱法在壓電納米晶體表面復(fù)合特定厚度的導(dǎo)電碳?xì)?，其聲阻抗和生物介質(zhì)比較接近，降低聲波傳導(dǎo)損耗，并且增強(qiáng)界面處的電子極化。該核-殼結(jié)構(gòu)的納米材料在生物體內(nèi)顯示了出色的超聲波吸收和電磁場生成性能。在超聲波的聲壓作用下，壓電納米材料的電荷分離導(dǎo)致電勢(shì)的產(chǎn)生，電位隨著高頻超聲波產(chǎn)生周期性變化，且產(chǎn)生的電刺激強(qiáng)度足以激活神經(jīng)細(xì)胞。?
圖1. 醫(yī)用超聲波作用下納米顆粒產(chǎn)生電磁場調(diào)控神經(jīng)示意圖
壓電納米材料接受超聲波后產(chǎn)生電信號(hào)傳遞給神經(jīng)細(xì)胞，刺激神經(jīng)細(xì)胞中電壓依賴性離子通道，造成細(xì)胞去極化；同時(shí)增加了神經(jīng)突觸可塑性的標(biāo)志物——突觸素的表達(dá)，并可通過調(diào)控神經(jīng)回路中鈣離子內(nèi)流控制斑馬魚的尾動(dòng)。多巴胺是調(diào)控中樞神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)遞質(zhì)，酪氨酸羥化酶是多巴胺合成的限速酶，是催化L-酪氨酸向L-多巴轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵酶。由壓電納米材料產(chǎn)生的電場激活了酪氨酸羥化酶的表達(dá)，并改善了帕金森模型斑馬魚的運(yùn)動(dòng)障礙。該電磁化的納米材料在腦部組織中具有良好的生物安全性，為遠(yuǎn)程治療神經(jīng)退行性疾病和神經(jīng)再生提供了新思路。
沈群東教授課題組近年來專注于功能材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究，在光響應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換材料構(gòu)建人工視網(wǎng)膜（Advanced Materials 2016, 28, 10684；ACS Applied Materials & Interfaces 2020, 12, 28759)、能量轉(zhuǎn)換微機(jī)器人遞送和遠(yuǎn)程調(diào)控分化神經(jīng)細(xì)胞（Advanced Functional Materials 2020, 30, 1910323）、光響應(yīng)導(dǎo)電水凝膠修復(fù)脊髓神經(jīng)（ACS Nano 2020, DOI: 10.1021/acsnano.0c05197）、多巴胺響應(yīng)光學(xué)探針腦成像及成癮研究（ACS Applied Materials & Interfaces 2018,10, 4359；ACS Applied Materials & Interfaces 2015, 7, 18581）、能量轉(zhuǎn)換納米材料調(diào)控細(xì)胞內(nèi)微環(huán)境促進(jìn)腫瘤凋亡（Advanced Materials 2016, 28, 3313；Angewandte Chemie International Edition 2017, 56, 2588；Small 2019, 15, 1900212）、鐵電高分子柔性脈搏傳感器診斷心血管系統(tǒng)（Advanced Functional Materials 2016, 26, 3640）等方面開展了一系列的工作。
相關(guān)論文在線發(fā)表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202003800)。南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院博士生趙娣和豐培堅(jiān)為該論文共同第一作者，沈群東教授、杭州電子科技大學(xué)的陳迎鑫副教授為該論文的共同通訊作者。南京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院朱景寧教授和化學(xué)化工學(xué)院徐靜娟教授給予了協(xié)助。研究課題得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
文獻(xiàn)信息
標(biāo)題：Electromagnetized-Nanoparticle-Modulated Neural Plasticity and Recovery of Degenerative Dopaminergic Neurons in the Mid-Brain
鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202003800
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